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1 ガンマ線バーストを用いた 初期宇宙探査計画 HiZ-GUNDAM High-z Gamma-ray bursts for Unraveling the Dark Ages Mission HiZ-GUNDAM WG メンバー代表 : 米徳大輔 ( 金沢大学 ) 宇宙理学委員会 (2012/04/06) 1

2 2012 年 1 月 23 日に小型科学衛星 WG 申請書を提出 X 線 ガンマ線検出器河合誠之 ( 東工大 ) 黒澤俊介 ( 東北大 ) 郡司修一 ( 山形大 ) 芹野素子 ( 理研 ) 谷森達 ( 京都大 ) 三原建弘 ( 理研 ) 村上敏夫 ( 金沢大 ) 谷津陽一 ( 東工大 ) 山岡和貴 ( 青山学院大 ) 吉田篤正 ( 青山学院大 ) 米徳大輔 ( 金沢大 ) 赤外線望遠鏡沖田博文 ( 東北大 ) 川端弘治 ( 広島大 ) 津村耕司 (ISAS/JAXA) 松浦周二 (ISAS/JAXA) 柳澤顕史 ( 国立天文台 ) アドバイザ : 金田英宏 ( 名古屋大 ) 和田武彦 (ISAS/JAXA) 理論検討浅野勝晃 ( 東工大 ) 井岡邦仁 ( 高エネ研 ) 井上進 ( 宇宙線研 ) 川中宣太 ( 高エネ研 ) 諏訪雄大 ( 京都大 ) 高橋慶太郎 ( 熊本大 ) 筒井亮 ( 東京大 ) 當真賢二 ( 大阪大 ) 戸谷友則 ( 京都大 ) 長倉洋樹 ( 京都大 / 早稲田大 ) 長滝重博 ( 京都大 ) 中村卓史 ( 京都大 ) 水田晃 ( 高エネ研 ) 山崎了 ( 青山学院大 ) 横山順一 ( 東京大 ) 衛星システム検討坂井真一郎 (ISAS/JAXA) 34 名 /17 機関 2

3 宇宙の誕生と進化 z = 1089 z = 20 z = 10 z = 0 z > 7 の頃は 第一世代星の誕生 宇宙再電離 重元素合成 最初のブラックホール GRB で狙う領域 宇宙最大の爆発 ガンマ線バースト で高赤方偏移観測のフロンティアを開拓する これまでの観測成果 High-z GRB をいち早く見極め 大型望遠鏡と連携して分光 3

4 High Redshift GRB ガンマ線の強度 ( カウント / 秒 ) GRB のガンマ線突発放射の時間変化 15 ~ 150 kev z = 8.2 ガンマ線バースト発生からの時間 ( 秒 ) 明るさ ( 等級 ) より遠方の GRB を観測は 非常に強い赤方偏移を受けるため GRB の後に続く残光現象のスペクトル 可視光線 水素の Ly α 吸収端 (121.6 nm が赤方偏移 ) Greiner et al. (2009) 観測波長 (nm) 近赤外線 X 線 ~ ガンマ線で検出大型望遠鏡と連携 自律制御で追観測を開始高分散分光スペクトル 可視 近赤外線で赤方偏移を測定 4

5 z = 6.3 Kawai et al. 2005, Totani et al 約 3 日後の分光観測 mass-averaged x HI (=n HI /n H ) GRB Malhotra & Rhoads 05 Stern et al. 05 Haiman & Cen 05 LAE statistics DLA (z DLA =6.295) Fan et al IGM (z IGM,u =6.36) GRB090423(z=8.2) 17.5 時間後 中性水素の割合は nhi/nh < 0.17, 95% 上限値で < 0.6 ( 電離は進んでいる ) 5

6 観測の流れ (1)GRB 検出とリアルタイムアラート (2) 自律制御で姿勢を変え 数分以内に追観測を開始 (3) 近赤外線望遠鏡で粗い赤方偏移の同定 (high-z GRB の同定 ) (4) ガンマ線スペクトロメータで 3 桁に渡る詳細スペクトルの測定 45cm 可視光 近赤外線望遠鏡可視光 CCD ( μm) HAWAII2-RG ( μm) 低分散分光またはバンド測光 地上大型望遠鏡や JWST と協力して z > 10 の GRB の高分散スペクトルを取得 ガンマ線スペクトロメータ BGO + 光電子増倍管 (50keV 10MeV) HiZ-GUNDAM X 線イメージング検出器 CdTe + コーデッドマスク (4 100 kev) 電子追跡型コンプトンカメラ実現性を検討している 6

7 GRB の継続時間分布 fluence ピークフラックス分布 Missing High-Redshift GRBs? high-z で T90 の長いイベントが少ない Time dilation の効果で必ず継続時間は長くなるはずバーストの明るい部分だけを観測している可能性 カウントレートでのトリガーだけでは厳しい継続時間が長く エネルギー流入はそこそこだが ピークフラックスが低い 数 kev からの低いエネルギーでイメージトリガーが重要

8 X 線イメージング検出器 4 ~ 100 kev 4 億円 +α 0.5 mm 64 本の両面ストリップ CdTe 検出器 同ピッチのタングステンコーデッドマスク Pb or W Coded mask CdTe 検出器アレイ 読み出し回路 開発中の読み出し回路 検出器 エネルギー帯域 検出器サイズ 有効面積 X 線イメージング検出器 CdTe 両面ストリップ 4~100keV 0.5mm ピッチ coded mask 45cm 45cm またはその半分を 2 台 (Half Coded) 方向決定精度 11 分角 ( 幾何学的形状から ) 5 分角 ( 光子統計の重みづけ ) 視野 重量 約 2 ステラジアン 50 kg 程度 8

9 CALET GBM (SGM) の発展型 青山学院大学が開発中 1 億円 +β 検出器エネルギー帯域検出器サイズ有効面積方向決定精度視野重量 ガンマ線スペクトロメータ BGO + 光電子増倍管 50keV ~ 10MeV 直径 5 インチ高さ 3 インチを 4 台 kev 無し 約 2π ステラジアン 40 kg 程度 X 線イメージング検出器と合わせて 3 桁に渡る広帯域でスペクトルを取得 several 10 6 erg/cm2 よりも明るいGRBのスペクトルを 5 10 % の精度で測定 継続時間の短い short GRB にも対応 ( 重力波とのコインシデンス ) 9

10 電子追跡型コンプトンカメラ MeV ガンマ線 α WG の活動内で気球実験を行い 成立性を検討する 1. ガンマ線光子毎に5 度 5 度程度で方向を決定 少ない光子数でも GRB をトリガー 2. バックグラウンドの低減 3. 約 3 ステラジアンの広い視野 4. MeV ガンマ線による All Sky Survey (COMPTEL よりも 10 倍高い感度を実現 ) events

11 45cm 可視光 近赤外線望遠鏡 5 億円 +γ 1.7μm カットオフ リッチークレチアン反射系口径 45cm, F15.5 AKARI 衛星の主鏡 口径 望遠鏡 光学系 可視光 近赤外線望遠鏡 45cm リッチークレチアン反射系 補正光学系レンズ 4 枚 全長 1000mm ( バッフル含まない ) 視野 波長 μm ( 近赤外線 ) μm ( 可視光 ) カメラ 全重量 近赤外線 HAWAII2-RG 可視光 CCD 100 kg 程度 11

12 望遠鏡感度の見積り λ < 2μm ならば BGD は黄道光 ( 散乱 ) が支配的 放射冷却で到達できる温度でも主鏡等からの影響は小さい 観測帯域 Okita (2011) の見積り 1 分 1 分露光で近赤外線バンドで 20 等級 (AB) が実現可能 1000 秒露光で 22.5 等級 いち早く photo-z を同定して大型望遠鏡と連携して分光観測を実施 12

13 HiZ-GUNDAM 連携 大型望遠鏡 13

14 地上赤外線観測の例 GROND 2.2m MPI/ESO 望遠鏡 La Silla Observatory ( チリ ) 1 日以上 年 GRB の報告数 322 GROND の観測数 49 ( 全体の 15.2%) 1 時間以内の観測 7 ( 全体の 2.2%) GRB トリガーからの観測開始時間 (hours) HiZ-GUNDAM は数分以内に 100% 近い頻度で追観測 High-z イベントを見逃さないためには 衛星上に近赤外線望遠鏡を搭載したい 14

15 ミッション固有の要求 可動式太陽電池パドル Sco X-1, Cyg X-1 などの明るくて変動する天体を避ける 太陽角制限にとらわれず 多くの GRB を追観測する リアルタイムアラート機能 GRB および X 線トランジェントの発生方向および 粗い赤方偏移を迅速に伝える SDS-1 のマルチモード統合トランスポンダや モバイル電話パケットなど 自律高速姿勢制御 GRB トリガー後 3 分程度で衛星姿勢を変更して追観測を実施近赤外線望遠鏡への熱流入を防ぐように自律制御 姿勢安定度可視光 近赤外線カメラの 1 フレーム時間内での擾乱は 0.5 秒角以下小型科学衛星 1 号機 (EXCEED) の技術を見習うなど 15

16 GRB 待機時の観測例 赤外線望遠鏡 赤外線背景放射の揺らぎ ( 初代星の星形成率と直結 ) 遠方 QSO サーベイ ( 低分散分光を搭載した場合 ) JANUS プロジェクト資料から 広視野 X 線イメージャー 超新星爆発の shock break-out 銀河中心 BH に落ち込むときの tidal disruption に伴う X 線放射 Supergiant fast X-ray transient High-mass + NS のバイナリ 明るい変動天体の X 線増光モニター 16

17 Multi Messenger Astrophysics JWST SPICA TA CTA TMT IceCube ALMA 17

18 まとめ 小型科学衛星 HiZ-GUNDAM を検討している GRB を用いて高赤方偏移観測のフロンティアを開拓 GRB 以外にも高エネルギー突発天体現象のモニター 近赤外線望遠鏡でのサーベイ モニター観測 ( 注目するテーマは WG 活動の中で議論する ) 2010 年代後半からはじまる マルチメッセンジャー天文学の一躍を担う 現在は国内の研究者のみで WG を構成している 韓国 アメリカ 欧州の赤外線望遠鏡なども WG の活動の中で国際協力を検討する 18

19 補足資料 19

20 GRB 宇宙論 ガンマ線スペクトルの Epeak と光度の間の関係 GRB の距離指標として利用 Peak Luminosity [erg s -1 ] Yonetoku et al. (2004) Tsutsui et al. (2008) 30 GRBs (z < 1.62) χ 2 = 26.9 (27 dof) C.C. = σ sys = 0.15 Ep (1+z) [kev] 第 3 のパラメータ luminosity time : T L E iso /L p の導入 系統誤差が大きく改善 統計誤差のみで記述が可能かもしれない 20

21 Ia 型超新星では測定が難しい z>2 の初期宇宙で (Ω m, Ω Λ ) を測定 将来の予想 HiZ-GUNDAM TARGET Yonetoku et al. (2010) 天文月報 100 例の known-z GRB に対して Epeak を 5% の精度で測定できると 非常に高い (IaSNe に匹敵する ) 精度で宇宙論パラメータを測定できる 21

22 GRB および X 線突発天体のアラート HETE-2, Swift で行われたように リアルタイムアラートを実現したい 発生方向 発生時間 GRB の明るさ 光学対応天体の明るさと 粗い赤方偏移の情報 マルチモード統合トランスポンダ ( 衛星間通信機能を有する通信機 ) JAXA 粟野氏からの情報 SDS-1 で実証 JAXA の中継衛星 (DRTS) とのリレーを実証現在は 24h どこでも中継できるわけではない 120mmX201mmX291mm 重量 3.6 kg 小型科学衛星 1 号機にも搭載 ( 使われない予定 ) 22

23 23

24 z > 10 は 全天で 36 イベント / 年 z > 20 は 全天で 4.7 イベント / 年 HiZ-GUNDAM の視野を 1 ~2 ステラジアンとすると z > 10 の GRB は年間 3 ~ 6 イベント期待できる 24

25 GRB と星形成率 z > 4 では GRBR ~ SFR (1+z) 1.5 が良さそう Robertson & Ellis (2011) 25

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